Draait onze elektronica straks nog op elektriciteit?

Maar níet alle schakelingen die informatie verwerken gebruiken het populaire silicium, sterker nog: niet alle schakelingen gebruiken elektriciteit. Neem het internet. De ‘ruggengraat’ daarvan is een netwerk van glasvezelkabels die met licht grote hoeveelheden data over grote afstanden transporteren. Apparaten aan beide uiteinden van de glasvezelkabels zijn elektronisch, maar de data-overdacht zelf is elektriciteitsloos. Informatie versturen met licht is betrouwbaar, snel en zuinig. En er zijn meer beloften: elektronische systemen van nu zouden in de toekomst zuinige ‘fotonische’ systemen kunnen worden.

Fotonica is het vakgebied dat zich bezighoudt met informatiesystemen op basis van licht. Dat zijn niet alleen communicatienetwerken of apparaten, maar ook ultraprecieze sensoren. Neem de ‘lidar’, een soort radar die met licht de omgeving in kaart kan brengen. Of glasvezelkabels waarmee je de integriteit van materialen monitort.

Maar de fotonica kent uitdagingen: een echte transistor (of schakelaar, het belangrijkste component van elektronica) op basis van licht bestaat nog niet. En het is momenteel lastig om de sterk geminiaturiseerde elektronica ‘aan te sluiten’ op de doorgaans veel grotere fotonica. Waar staat het onderzoeksveld? En op welke punten kan fotonica het stokje van elektronica overnemen?

Schakelen tussen elektronica en fotonica

Fotonica en elektronica zijn twee aparte domeinen die elkaar af en toe vinden in bepaalde toepassingen. Neem je computer, een duidelijk voorbeeld van elektronica. Stuur iemand een bericht en de kans is groot dat het bericht een deel van de weg niet als elektrisch signaal aflegt, maar als lichtsignaal. Zeker over lange afstanden is het aantrekkelijk om licht te gebruiken. In een datacentrum wordt het elektrische signaal omgezet in licht, het gaat door een glasvezelkabel, en wordt aan de andere kant van de kabel weer omgezet naar een elektronisch signaal.

Fotonica nadert het ‘elektronische hart’ van onze apparaten steeds meer, uiteindelijk komt het misschien wel ín de apparatuur terecht. Jurriaan Schmitz ziet de grens in ieder geval opschuiven. Hij is professor ‘halfgeleider componenten’ aan de Universiteit Twente, en werkt zelf aan het verbeteren van computerchips. “Die toenadering heeft onder andere te maken met de toenemende datastromen in computerchips in het algemeen, en in datacentra of supercomputers in het bijzonder. Het wordt steeds aantrekkelijker om licht te gebruiken als je grote hoeveelheden informatie verstuurt, dat is veel zuiniger”, zegt hij.

Maar als dat zo is, waarom vervangen we dan niet accuut álle elektronische verbindingen? Zoals gezegd, het hart van onze apparaten is elektrisch, en dat zal nog lang zo blijven. Er moet een punt zijn waarop je de elektrische signalen uit de elektronica omzet naar lichtsignalen voor ‘transport’. Omdat je op dat punt energie verliest is het gunstig om optische datasignalen vooral over lange afstanden te gebruiken. “Volgens sommige elektronicaproducenten ligt de grens ruwweg bij een meter”, zegt Schmitz. “Onder die grens is het doorgaans gunstiger om gewoon een elektrische verbinding te gebruiken voor informatie, daarboven is licht beter. Ik denk dat die grens de komende tien jaar gestaag opschuift naar pakweg tien centimeter.”

Fotonica wordt nu vooral ingezet voor communicatie tussen verschillende elektronische apparaten, maar gaat het straks een rol spelen binnen de apparaten? Daar is wat betreft energieverbruik een wereld te winnen. Het verwerken van informatie – bijvoorbeeld het doen van een berekening – kost onvermijdelijk energie, maar dat hoeft niet te gelden voor het verplaatsen van informatie. Toch verdwijnt het grootste deel van de energie in een computerprocessor door het verplaatsen van informatie door elektronische verbindingen die opwarmen door hun elektrische weerstand. Wanneer je die verbindingen kan vervangen door optische verbindingen gaat dat energieverbruik drastisch omlaag.

Of we fotonica snel gaan zien in consumentenelektronica? Schmitz heeft zijn twijfels. “Als het al gebeurt dan duurt het nog tientallen jaren”, zegt hij. “Je ziet het nu al wel binnen grote supercomputers. Om het hoge energieverbruik te drukken worden daar al optische verbindingen gelegd over afstanden van enkele tientallen centimeters.”

Schmitz is enthousiast over de ontwikkelingen in de fotonica, maar dat gaat vooral ‘achter de schermen’ plaatsvinden. “Geïntegreerde fotonica gaan we massaal gebruiken voor het internetverkeer, maar niet om een app op je smartphone te draaien”, zegt hij. “Er worden vanuit het onderzoek flinke beloftes gedaan op dit gebied, maar de industrie heeft inmiddels een halve eeuw ervaring hebben met het maken van elektronische circuits. Ze zijn daar bedreven in, en hebben er volop in geïnvesteerd. Het alternatief moet echt veel beter zijn voordat ze klassieke elektronica links laten liggen.”